牙輪鉆頭早期損壞的原因及解決辦法分析

李 鑫

（甘肅鏡鐵山礦業(yè)有限公司，甘肅張掖 734000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)不斷進(jìn)步發(fā)展，我國(guó)礦產(chǎn)資源產(chǎn)量也在加速開(kāi)采發(fā)掘中得到進(jìn)一步提高。牙輪鉆頭是開(kāi)展開(kāi)采作業(yè)過(guò)程中最關(guān)鍵的核心組件之一，其主要作業(yè)關(guān)鍵指標(biāo)是軸壓、轉(zhuǎn)速和排碴風(fēng)量。從單個(gè)組件成本消耗方面來(lái)說(shuō)，牙輪鉆頭在作業(yè)過(guò)程中所消耗的資金量大約是整個(gè)鉆孔開(kāi)采過(guò)程總量的50%以上，所以說(shuō)鉆頭有效工作周期的長(zhǎng)短對(duì)于整臺(tái)牙輪鉆機(jī)的經(jīng)濟(jì)性有決定性的作用。牙輪鉆頭的工作環(huán)境惡劣，很容易在開(kāi)展鉆孔的作業(yè)中產(chǎn)生故障、問(wèn)題，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，牙輪鉆機(jī)排碴風(fēng)量對(duì)整個(gè)牙輪鉆頭的使用壽命影響最大。甘肅鏡鐵山礦業(yè)有限公司長(zhǎng)期使用的有KY-250D 和KY310B兩種型號(hào)牙輪鉆機(jī)，下面主要以KY-250D 為主要研究對(duì)象來(lái)進(jìn)行探析。

1 KY-250D 牙輪鉆機(jī)工作原理

KY-250D 牙輪鉆機(jī)主要由行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、A 型架軸、張緊裝置、鉆桿架、液壓系統(tǒng)等關(guān)鍵購(gòu)進(jìn)和模塊組成。其鉆頭是三牙型的，是鉆孔的關(guān)鍵刀具利器，在工作時(shí)利用自身旋轉(zhuǎn)、反復(fù)沖擊從而擊穿堅(jiān)硬的石塊。設(shè)備主體借助鉆桿傳遞出巨大的扭矩，帶動(dòng)鉆頭形成足夠的軸向壓力和回轉(zhuǎn)力，從而能持續(xù)擊穿巖石。而碎石被鉆桿中心孔和鉆頭噴嘴輸出強(qiáng)力壓縮空氣吹出，從而形成類似炮筒孔柱。

KY-250D 牙輪鉆機(jī)機(jī)重105 t，其關(guān)鍵性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 KY-250D 牙輪鉆機(jī)關(guān)鍵性能參數(shù)

2 KY-250D 牙輪鉆頭早期損壞的原因

牙輪鉆機(jī)作業(yè)階段，如果遇到雨天或者深層的礦巖，鉆孔的廢石渣將難以及時(shí)排出，這時(shí)就必須把鉆桿多次提高以方便石渣能夠排出。按照過(guò)去一段時(shí)間鉆頭的穿孔進(jìn)尺深度和破損情況數(shù)據(jù)分析來(lái)看，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的牙輪鉆頭進(jìn)尺約310～350 m；而進(jìn)口合資生產(chǎn)的牙輪鉆頭進(jìn)尺約560～600 m，由軸承損壞引發(fā)的牙輪鉆頭破損或者報(bào)廢的概率達(dá)80%以上，軸承早期損壞的情況（是指工作時(shí)間少于30 h）約是總量的30%。常見(jiàn)的牙輪鉆頭早期損壞情況主要分為3 類，分別是軸承早期磨損、牙爪爪尖早期損壞、牙齒和牙輪的早期損壞。

2.1 軸承早期磨損

軸承早期磨損主要的問(wèn)題特征主要有3 種。

（1）軸頸位置處的磨損明顯，嚴(yán)重情況下會(huì)直接剝落，導(dǎo)致徑向鉆桿和軸承之間的間隙大幅增加，滾柱無(wú)法有效卡住鉆桿直接滑落下去或者滾柱橫向形成傾角卡死在鉆桿上，導(dǎo)致牙輪無(wú)法作業(yè)。

（2）滑動(dòng)軸承因?yàn)榛烊腚s質(zhì)導(dǎo)致咬合不順或發(fā)生高溫后產(chǎn)生焊死現(xiàn)象，這樣就會(huì)導(dǎo)致末端的牙輪無(wú)法有效運(yùn)行、產(chǎn)生卡軸問(wèn)題，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)鉆孔位置偏移中心并且偏向磨損嚴(yán)重。

（3）滾柱端部與軸頸之間產(chǎn)生非正常的磨損，導(dǎo)致空間間隙顯著增加，滾柱在旋轉(zhuǎn)方向上會(huì)出現(xiàn)明顯歪斜或者嚴(yán)重的橫置問(wèn)題，牙輪無(wú)法正常工作。

軸承早期磨損的原因，首先是鉆頭設(shè)計(jì)技術(shù)水平不夠高，存在設(shè)計(jì)上的不足。其次，鉆頭制作工藝方面的不足也是其中因素之一。究其主要原因，應(yīng)該是推進(jìn)軸施加的壓力過(guò)大，導(dǎo)致軸承位置的摩擦系數(shù)大幅提升，軸承承受了巨大的摩擦力，在運(yùn)轉(zhuǎn)中就會(huì)因?yàn)槟Σ磷饔卯a(chǎn)生大量的熱量，要么就是鉆頭內(nèi)部的擋碴管沒(méi)有固定住、未發(fā)揮作用，使鉆出的石渣混入到鉆頭軸承間隙中反復(fù)與滾珠發(fā)生碾壓和摩擦，導(dǎo)致鉆頭軸承產(chǎn)生的熱量無(wú)法散發(fā)出去，很容易導(dǎo)致軸承報(bào)廢。還有就是吹風(fēng)口的壓力不足，用于冷卻的壓縮通風(fēng)在穿過(guò)軸承部位時(shí)未起不到預(yù)想的作用，將直接導(dǎo)致軸承難以及時(shí)散出集聚的熱量，軸承表面就會(huì)附著很多巖石的粉末，時(shí)間久了軸承所能發(fā)揮出來(lái)的作用就大大降低，造成損壞甚至報(bào)廢。發(fā)生該問(wèn)題比較典型的原因就是在鉆水孔或未采用干式除塵方式。

2.2 牙爪爪尖早期磨損

在開(kāi)始鉆孔作業(yè)前期，牙輪牙爪爪尖在意外情況下出現(xiàn)超預(yù)期的磨損，此時(shí)滾柱就失去保護(hù)外露出來(lái)，多數(shù)時(shí)候會(huì)掉出來(lái)。但是在該情形下，鉆頭的軸承不會(huì)遭到損壞、保存完整，牙輪外錐不會(huì)被磨損，而且合金齒不會(huì)出現(xiàn)明顯的磨損，但此時(shí)石渣會(huì)不受阻止地侵入到軸承內(nèi)部、損壞軸承。

根據(jù)發(fā)生的磨損數(shù)據(jù)分析來(lái)看，多數(shù)情況下導(dǎo)致牙爪爪尖出現(xiàn)較早磨損問(wèn)題的原因主要有：①設(shè)計(jì)方案不合理，在結(jié)構(gòu)保護(hù)裝置的性能強(qiáng)度上未做好詳細(xì)的計(jì)算，導(dǎo)致無(wú)法發(fā)揮正常的保護(hù)作用；②制造工藝落后，在該關(guān)鍵部件制作工藝水平與國(guó)際先進(jìn)水平有一定差距；③開(kāi)展鉆孔作業(yè)時(shí)，未及時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆桿已經(jīng)產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，穩(wěn)桿器在施工中過(guò)度磨損無(wú)法發(fā)揮穩(wěn)定作用；④在一些礦石巖層有很強(qiáng)的腐蝕作用，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生影響，產(chǎn)生巖層松動(dòng)、穿孔表層浮碴筱蓋、礦巖整體性差致孔壁掉塊等使用問(wèn)題。

2.3 牙齒和牙輪的早期損壞

在牙輪鉆孔作業(yè)前期，牙齒和牙輪的早期損壞也是比較常見(jiàn)的現(xiàn)象。一般出現(xiàn)該問(wèn)題時(shí)，多數(shù)情況下是錐尖出現(xiàn)異常嚴(yán)重的磨損、摘頂，部分錐尖已經(jīng)崩斷掉落，牙輪的殼體已經(jīng)出現(xiàn)明顯的磨損問(wèn)題，更嚴(yán)重的情況就是牙輪、牙齒在應(yīng)力的作用下發(fā)生折斷現(xiàn)象。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析來(lái)看，牙輪錐尖磨損、出現(xiàn)摘頂現(xiàn)象的根本原因，主要是軸承受的壓力太大、鉆孔推進(jìn)的回轉(zhuǎn)速度過(guò)快以及中硬鉆頭在質(zhì)地較為柔軟的巖石作業(yè)過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題。此時(shí)，滑動(dòng)軸承位置無(wú)法提供有效的冷卻作用，端部熱量集聚較多。牙輪殼體出現(xiàn)異?？焖倌p問(wèn)題是由于排出石渣的效率不佳影響，石渣會(huì)在鉆孔環(huán)境中反反復(fù)復(fù)作用。中硬鉆頭牙齒折斷的問(wèn)題多數(shù)是由于作業(yè)環(huán)境中的遭遇堅(jiān)硬或極堅(jiān)硬礦巖。

由上述分析可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)施工過(guò)程中牙輪鉆頭產(chǎn)生問(wèn)題的過(guò)程是復(fù)雜且多變的，對(duì)于影響其使用壽命的各類原因要做好認(rèn)真分析，及時(shí)找出相應(yīng)的解決方案對(duì)開(kāi)展實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)更具有促進(jìn)作用。

3 應(yīng)對(duì)KY-250D 牙輪鉆頭早期損壞的解決辦法

3.1 應(yīng)對(duì)軸承早期磨損的解決辦法

軸承早期磨損問(wèn)題出現(xiàn)后，要及時(shí)根據(jù)排出石渣的量來(lái)確定問(wèn)題的根源是推進(jìn)軸壓力太大還是風(fēng)壓不足導(dǎo)致的：當(dāng)排出石渣大顆粒明顯偏多時(shí)而空壓機(jī)的工作壓力正常時(shí)，基本上可以判定是軸推進(jìn)壓力太大的原因，這時(shí)要及時(shí)調(diào)整壓力數(shù)值，以有效減輕牙輪鉆頭軸承的磨損；當(dāng)遇到排出碎石顆粒正常而空壓機(jī)工作壓力不足時(shí)，表明風(fēng)量滿足要求、風(fēng)壓不符合要求，這時(shí)則要及時(shí)調(diào)整噴嘴直徑提升風(fēng)的壓力，以達(dá)到冷卻軸承的目的；如果排出的石渣無(wú)明顯大顆粒而風(fēng)管無(wú)漏風(fēng)，則表明空壓機(jī)損壞、需盡快換新。空壓機(jī)的風(fēng)量要保障在孔壁與鉆桿構(gòu)間有足夠大的回風(fēng)量，其大小要保持適宜：風(fēng)量過(guò)大，碎石會(huì)加快鉆頭的磨損進(jìn)程；而風(fēng)量過(guò)小，偏大的顆粒難以有效排除，導(dǎo)致鉆孔效率低。

鉆孔作業(yè)時(shí)，一方面要提前勘察現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，及時(shí)調(diào)整牙輪鉆頭工作軸壓力，確保鉆頭作業(yè)破碎礦巖周圍區(qū)域內(nèi)，避免軸壓力失控導(dǎo)致鉆頭軸承早期失效；另一方面要加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程的監(jiān)控，定時(shí)檢查擋碴管緊固情況，同時(shí)還注意優(yōu)化鉆頭軸承的工作狀態(tài)，以延長(zhǎng)牙輪軸承的使用壽命。

3.2 應(yīng)對(duì)牙爪爪尖早期磨損的解決辦法

（1）穩(wěn)桿器通常會(huì)因?yàn)槟p嚴(yán)重造成鉆桿作業(yè)過(guò)程出現(xiàn)嚴(yán)重晃動(dòng)，牙爪的爪尖很快就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因此必須確保穩(wěn)桿器的工作順利，才能使鉆頭高效推進(jìn)作業(yè)。如果鉆桿單側(cè)彎曲，也會(huì)導(dǎo)致鉆頭早期損壞問(wèn)題出現(xiàn)，此時(shí)必須第一時(shí)間更換鉆桿，確保下一步操作順利。

（2）如果風(fēng)量不足時(shí)，可以參考軸承早期磨損中對(duì)排碴風(fēng)量的計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)判斷。如果整個(gè)風(fēng)管系統(tǒng)密封性良好，就必須換新或者維修空壓機(jī)才能解決問(wèn)題。

（3）為了避免浮渣落入鉆孔內(nèi)導(dǎo)致牙爪爪尖早期磨損，要督促鉆機(jī)工作場(chǎng)地管理和操作人員按章施工，認(rèn)真負(fù)責(zé)，清理干凈碎渣后方可繼續(xù)作業(yè)。如果礦巖整體性不佳、容易脫落，那么在鉆機(jī)推進(jìn)過(guò)程中適當(dāng)加人黃黏土，將礦巖固住，避免碎渣掉人孔損壞牙爪爪尖。

3.3 應(yīng)對(duì)牙齒和牙輪的早期損壞的解決辦法

鉆孔作業(yè)階段，對(duì)于硬巖石來(lái)說(shuō)，牙齒吃入深度較淺、牙輪振幅大，沖擊破碎巖石效果好；而對(duì)于軟巖和中硬巖石，牙齒吃人深度較深、牙輪振幅較小，沖擊破碎效果較差。所以在設(shè)計(jì)鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)，為克服硬和極硬巖石不利條件，要注意鉆頭設(shè)計(jì)成不超頂、不移軸結(jié)構(gòu)。牙齒多數(shù)情況下要按照球形或者錐形來(lái)設(shè)計(jì)，開(kāi)展鉆孔作業(yè)時(shí)，牙輪是呈現(xiàn)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，借助振動(dòng)沖擊力完成鉆孔作業(yè)；如果是軟巖和中硬巖石，鉆頭設(shè)計(jì)制作就要按照移軸、復(fù)錐或超頂結(jié)構(gòu)來(lái)完成，牙齒采用楔形齒或銑齒，開(kāi)展鉆孔作業(yè)時(shí)牙輪同時(shí)滾動(dòng)滑動(dòng)，利用剪切力來(lái)完成破石作業(yè)。

但是要特別注意一點(diǎn)，就是要根據(jù)地質(zhì)情況設(shè)計(jì)選取對(duì)應(yīng)的鉆頭結(jié)構(gòu)。如果牙齒采用楔形齒或銑齒，用于硬或極硬巖石情況就很容易導(dǎo)致斷齒和輪尖磨禿。同樣，球形或錐形牙齒用于鉆孔軟巖或中硬巖時(shí)，很容易產(chǎn)生牙輪禿頂、摘頂及牙輪殼體的腐蝕等問(wèn)題。所以，設(shè)計(jì)工作必須要結(jié)合實(shí)際情況開(kāi)展選型。

從國(guó)外先進(jìn)國(guó)家對(duì)合金牙輪鉆頭研究數(shù)據(jù)來(lái)看，破碎巖石的效果與牙齒鉆孔作業(yè)周期有關(guān)，轉(zhuǎn)速較低的情況下，鉆進(jìn)速度和鉆具轉(zhuǎn)速是正比關(guān)系；但是轉(zhuǎn)速提升、鉆進(jìn)速度不改變，整個(gè)鉆機(jī)設(shè)備就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重振動(dòng)問(wèn)題，鉆頭軸承發(fā)熱磨損而早期失效；而且沖擊載荷持續(xù)上升時(shí)，容易使牙輪齒被擊破折斷而導(dǎo)致鉆頭早期失效。所以在鉆頭的選擇上，要結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況設(shè)定合理的轉(zhuǎn)速，才能延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以KY-250D 牙輪鉆頭為例，分析了其早期損壞的原因及應(yīng)對(duì)解決辦法，希望可以對(duì)提高牙輪鉆頭使用壽命提供有效的參考和幫助。